Grafenoxidmembraner kan reducere papirindustriens energiomkostninger

Den amerikanske papirmasse- og papirindustri bruger store mængder vand til at producere cellulosemasse fra træer. Vandet, der forlader papirmasseprocessen, indeholder en række organiske biprodukter og uorganiske kemikalier. For at genbruge vandet og kemikalierne, Papirfabrikker er afhængige af dampføde fordampere, der koger vandet op og adskiller det fra kemikalierne.

Vandadskillelse med fordampere er effektiv, men bruger store mængder energi. Det er væsentligt i betragtning af, at USA i øjeblikket er verdens næststørste producent af papir og pap. Landets omkring 100 papirfabrikker anslås at bruge omkring 0,2 quads (en quad er en quadrillion BTU'er) energi om året til vandgenanvendelse, gør det til en af ​​de mest energikrævende kemiske processer. Alt industrielt energiforbrug i USA i 2019 udgjorde 26,4 quads, ifølge Lawrence Livermore National Laboratory.

Et alternativ er at anvende energieffektive filtreringsmembraner til at genbruge pulpingspildevand. Men konventionelle polymermembraner - kommercielt tilgængelige i de sidste årtier - kan ikke modstå drift under de barske forhold og høje kemiske koncentrationer, der findes i spildevandsproduktion og mange andre industrielle anvendelser.

Georgia Institute of Technology-forskere har fundet en metode til at konstruere membraner lavet af grafenoxid (GO), et kemisk resistent materiale baseret på kulstof, så de kan arbejde effektivt i industrielle applikationer.

"GO har bemærkelsesværdige egenskaber, der gør det muligt for vand at komme igennem det meget hurtigere end gennem konventionelle membraner, " sagde Sankar Nair, professor, Simmons fakultetsstipendiat, og associeret formand for Industry Outreach i Georgia Tech School of Chemical and Biomolecular Engineering. "Men et langvarigt spørgsmål har været, hvordan man får GO-membraner til at fungere under realistiske forhold med høje kemiske koncentrationer, så de kunne blive industrielt relevante."

Brug af nye fremstillingsteknikker, forskerne kan kontrollere mikrostrukturen af ​​GO-membraner på en måde, så de kan fortsætte med at filtrere vand effektivt fra selv ved højere kemiske koncentrationer.

Forskningen, støttet af U.S. Department of Energy-RAPID Institute, et industrielt konsortium af skovproduktvirksomheder, og Georgia Techs Renewable Bioproducts Institute, blev rapporteret for nylig i bladet Naturens bæredygtighed . Mange industrier, der bruger store mængder vand i deres produktionsprocesser, kan have gavn af at bruge disse GO nanofiltreringsmembraner.

Nair, hans kolleger Meisha Shofner og Scott Sinquefield, og deres forskerhold begyndte dette arbejde for fem år siden. De vidste, at GO-membraner længe var blevet anerkendt for deres store potentiale inden for afsaltning, men kun i laboratoriemiljøer. "Ingen havde troværdigt demonstreret, at disse membraner kan fungere i realistiske industrielle vandstrømme og driftsforhold, "Nair sagde. "Nye typer GO-strukturer var nødvendige, der viste høj filtreringsydelse og mekanisk stabilitet, mens de bibeholdt den fremragende kemiske stabilitet forbundet med GO-materialer."

For at skabe sådanne nye strukturer, holdet udtænkte ideen om at klemme store aromatiske farvestofmolekyler mellem GO-ark. Forskere Zhongzhen Wang, Chen Ma, og Chunyan Xu fandt ud af, at disse molekyler var stærkt bundet til GO-arkene på flere måder, herunder at stable et molekyle på et andet. Resultatet var oprettelsen af ​​"galleri" mellemrum mellem GO-arkene, med farvestofmolekylerne, der fungerer som "søjler". Vandmolekyler filtrerer let gennem de smalle mellemrum mellem søjlerne, mens kemikalier til stede i vandet er selektivt blokeret baseret på deres størrelse og form. Forskerne kunne tune membranmikrostrukturen lodret og lateralt, giver dem mulighed for at kontrollere både højden af ​​galleriet og mængden af ​​plads mellem søjlerne.

Holdet testede derefter GO nanofiltreringsmembranerne med flere vandstrømme indeholdende opløste kemikalier og viste membranernes evne til at afvise kemikalier efter størrelse og form, selv ved høje koncentrationer. Ultimativt, de skalerede deres nye GO-membraner op til ark, der er op til 4 fod lange og demonstrerede deres drift i mere end 750 timer i en rigtig fødestrøm, der stammer fra en papirfabrik.

Nair udtrykte begejstring for potentialet ved GO-membran nanofiltrering til at generere omkostningsbesparelser i papirfabrikkens energiforbrug, som kunne forbedre industriens bæredygtighed. "Disse membraner kan spare papirindustrien for mere end 30% i energiomkostninger ved vandseparering, " han sagde.